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Brewer-Dobson环流及其对平流层微量气体输送的研究

陈权亮  
【摘要】:平流层Brewer-Dobson环流对于低平流层微量气体的分布和输送有着重要的作用,而平流层的物质分布和变化可以通过耦合作用影响对流层,进而影响气候的长期变化。本论文通过NCEP Ⅱ实测资料计算分析了剩余速度,验证了理论结果和数值模拟结果,探讨了Brewer-Dobson环流的垂直分布、季节变化、年际变化、QBO(准两年周期振荡)特征、长期变化趋势及其对于微量气体的输送作用。并利用NCEP资料计算了Brunt-Vaisala频率,分析大气温度场垂直结构和静力稳定度,进一步分析了重力波活动频率与Brewer-Dobson环流的关系。最后利用NCAR包含化学、辐射、动力相互作用的二维模式(SOCRATES)模拟了平流层波动对于Brewer—Dobson环流的影响,探讨了波动效应产生的“pump”驱动和微量气体输送的影响。得到了下面的一些结果: 首先本论文利用1979年—2003年月平均的NCEP Ⅱ资料,通过计算剩余速度来分析Brewer—Dobson环流的分布特征和季节变化。计算结果表明,上升气流由对流层顶部进入到平流层下层,然后向极向下运动,气流在中纬度地带下沉回到对流层。上升运动的中心随着季节的变化在赤道地区南北移动。北半球夏季的上升气流比南半球夏季的上升气流要强,同时冬半球的下沉气流比夏半球的下沉气流强。这些与前人的理论研究和数值模拟结果都是非常一致的。 Brewer-Dobson环流有着明显的QBO现象。当赤道地区纬向风为东风位相时,低纬度地区的向上运动比多年平均强,向两极的输送也比较强,产生了赤道地区上空的次级环流,Brewer-Dobson环流增强了。而在西风位相时,低纬度赤道地区的向上运动比平均情况弱,Brewer-Dobson环流减弱了;对比分析发现,低纬度地区低平流层的O_3,HCl,H_2O距平的QBO位相与上升气流相反,而CH_4距平的QBO位相与之相同。中纬度地区的微量气体距平的QBO位相也与剩余速度距平的位相有关。本论文计算了Brewer-Dobson环流在不同位相下对低平流层微量气体O_3,HCl,CH_4,H_2O等等的输送,结果表明输送的差异与不同位相下该气体的浓度差异非常相似。 Brewer-Dobson环流还有着10年际的变化和长期变化趋势。100hPa高度上,1979~1983、1990~1995、2000~2003这些年的上升运动是比较强的。同时,50hPa高度上,1979~1980,1984~1990,1991~2000这些年的上升运动是比较强的。总的来说,在过去的25年中,Brewer-Dobson环流的上升运动有所增强,向极的输送也有所增强,环流整体形势是增强的。通过分析HALOE资料发现,CH_4和H_2O的长期变化趋势受到了Brewer-Dobson的重要影响,而O_3和HCl的变化与Brewer—Dobson环流有一定的关系,但是主要受到了污染物排放的重要影响。尤其在


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